摘 要：路易斯結(jié)構(gòu)式是從微觀的角度研究物質(zhì)的用途性質(zhì)的，它不僅是一種模型，一種解決問題的工具，一種專屬于化學(xué)的語言，學(xué)習(xí)路易斯結(jié)構(gòu)式更是對(duì)化學(xué)的有意義學(xué)習(xí)和對(duì)物質(zhì)觀的深層次的理解。

關(guān)鍵詞：路易斯結(jié)構(gòu)式 形式電荷 富電子體系 缺電子體系

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2013）04（a）-0018-03

1 問題的提出

路易斯結(jié)構(gòu)式的模型直觀形象，通俗易懂。和其分子式化學(xué)式相比較，蘊(yùn)含更多的重要信息，能很好的幫助學(xué)生理解和記憶化學(xué)知識(shí)，形成科學(xué)的物質(zhì)觀。路易斯結(jié)構(gòu)式除了顯示分子中原子的類型和比例外還可以表明原子之間是如何連接在一起的，我們可以從路易斯結(jié)構(gòu)式中去預(yù)測和解釋物質(zhì)的一些性質(zhì)[1]。路易斯結(jié)構(gòu)式還可以提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，形成直覺的化學(xué)思維，提升學(xué)生從微觀的角度看待問題的能力，但由于路易斯結(jié)構(gòu)式較抽象，理解起來有一定的困難[2]。因此，很有必要進(jìn)行系統(tǒng)全面的路易斯結(jié)構(gòu)式的教學(xué)研究。

2 分析問題

在中學(xué)化學(xué)的學(xué)習(xí)中，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了分子式電子式。這為大學(xué)里路易斯結(jié)構(gòu)式的學(xué)習(xí)埋下了伏筆。在高中魯科版的化學(xué)教材中也提到了路易斯結(jié)構(gòu)式，但不作為教學(xué)內(nèi)容。在學(xué)習(xí)價(jià)層電子對(duì)互斥理論之前，如果掌握了路易斯結(jié)構(gòu)式的知識(shí)，學(xué)生就會(huì)很容易的理解價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型。因此，路易斯結(jié)構(gòu)式有著承上啟下的作用。在進(jìn)行價(jià)層電子對(duì)互斥理論教學(xué)之前先進(jìn)行路易斯結(jié)構(gòu)式的教學(xué)，這樣更符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。皮亞杰認(rèn)為：認(rèn)知發(fā)展是一個(gè)在已有圖式的基礎(chǔ)上通過同化順應(yīng)和平衡循環(huán)往復(fù)，逐漸發(fā)展的過程[3]。如果在學(xué)習(xí)價(jià)層電子對(duì)互斥理論模型之前學(xué)習(xí)了路易斯結(jié)構(gòu)式，路易斯結(jié)構(gòu)式就屬于學(xué)生的已知內(nèi)容，而價(jià)層電子對(duì)互斥理論是學(xué)生未知的內(nèi)容，學(xué)生借助已學(xué)內(nèi)容來學(xué)未知的內(nèi)容這樣更符合學(xué)生的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律。路易斯結(jié)構(gòu)式在學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中起著“支架”的重要作用。

3 理論基礎(chǔ)（路易斯結(jié)構(gòu)式的演變）

在1850年時(shí)英國化學(xué)家弗蘭克蘭提出“化合價(jià)”這個(gè)概念，元素符號(hào)之間可以用短橫線相連?！啊北硎驹又g相互用了“1”價(jià)，如HCl為H-Cl。“==”表示原子之間共用了“2”價(jià)，如CO2可以寫成O=C=O?！啊北硎驹又g相互用了“3”價(jià)，如HCN則為。在此基礎(chǔ)上提出了路易斯結(jié)構(gòu)式[4]。路易斯用元素符號(hào)表示原子核和全部內(nèi)層電子，用短棍表示共價(jià)鍵，用小黑點(diǎn)表示價(jià)電子或未成鍵電子畫在元素符號(hào)外面，以表示化學(xué)鍵成鍵情況和原子，分子，離子的電子結(jié)構(gòu)，這種價(jià)鍵模型稱路易斯結(jié)構(gòu)式。路易斯指出，稀有氣體的結(jié)構(gòu)是最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。其他原子傾向于形成稀有氣體的這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，這就是八隅體規(guī)則。以下是甲烷，二氧化碳，氨氣，水的路易斯結(jié)構(gòu)式。（見圖1）

路易斯結(jié)構(gòu)式中價(jià)電子總數(shù)等于分子中所有原子的價(jià)電子數(shù)之和，但有時(shí)候中心原子的總數(shù)并不等于8。（見圖2）

對(duì)于這種情況，鮑林提出了“形式電荷”的概念[5]。每個(gè)原子的形式電荷等于原子的價(jià)層電子數(shù)減去未共享電子數(shù)，再減去成鍵電子總數(shù)的1/2。形式電荷越靠近零，路易斯結(jié)構(gòu)式越穩(wěn)定。或形式電荷為“+”的原子比形式電荷為“-”的原子的電負(fù)性小，則該結(jié)構(gòu)也較穩(wěn)定。有些分子的路易斯結(jié)構(gòu)式有好幾個(gè)，但都是合理的，針對(duì)這種情況，鮑林提出了共振論，認(rèn)為其分子的真實(shí)結(jié)構(gòu)式是這些合理路易斯結(jié)構(gòu)式的共振雜化體。（見圖3）

4 路易斯結(jié)構(gòu)式的應(yīng)用

4.1 無機(jī)化合物的化學(xué)穩(wěn)定性的預(yù)測

缺電子體系[6]：BF3含24個(gè)價(jià)電子，成鍵電子數(shù)為6，非鍵電子數(shù)為18，根據(jù)八隅體規(guī)則，每個(gè)氯原子有3對(duì)孤對(duì)電子。這時(shí)硼還未滿8電子構(gòu)型。對(duì)于像C、N、O、P、S等可以形成雙鍵或叁鍵，但氟不可以，因此BF3的路易斯結(jié)構(gòu)式只能寫成這樣。（見圖4）

每個(gè)原子的形式電荷為零，但硼周圍只有6個(gè)電子，像“B”這類原子稱缺電子體系。硼因缺少電子有空軌道，因此，有接受電子形成配位鍵的穩(wěn)定化傾向，形成的BF-每個(gè)原子都滿足八電子結(jié)構(gòu)，因此，BF-比BF3穩(wěn)定。

富電子體系：NH3含8個(gè)電子，成鍵電子數(shù)為6，還有一對(duì)孤對(duì)電子。根據(jù)八隅體規(guī)則，這一對(duì)孤對(duì)電子只能在氮上。像NH3這類中心原子上有非鍵電子的體系為富電子體系。中心原子上有非鍵電子，易與具有空軌道的陽離子配位，易形成更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。同樣，如：POCl3的路易斯結(jié)構(gòu)式為圖5所示。

H2SO4和H3PO4的路易斯結(jié)構(gòu)式：見圖6。

當(dāng)中心原子是P、S等富電子體系時(shí)，如果中心原子是8e-構(gòu)型，則形式電荷不為零，因此該結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這時(shí)對(duì)中心原子的外圍電子進(jìn)行修正，修正的結(jié)果是P為10e-。同時(shí)該原子有d軌道，可以形成d—pπ鍵，從而中心原子周圍出現(xiàn)多于8個(gè)電子的現(xiàn)象。

4.2 化合物的鍵長的解釋（見圖7）

在CO32-的路易斯結(jié)構(gòu)式中，兩個(gè)碳氧鍵是不同的，一個(gè)是雙鍵，一個(gè)是單鍵，而實(shí)驗(yàn)測得的碳氧鍵的鍵長是相等的，均為131pm。路易斯結(jié)構(gòu)式就可以解釋這種現(xiàn)象，CO32-的路易斯結(jié)構(gòu)可表示為如圖8所示。

其真實(shí)結(jié)構(gòu)是他們所有可能的路易斯結(jié)構(gòu)式的混合雜化體。所以碳氧鍵的鍵長是相同的。

4.3 用路易斯結(jié)構(gòu)式計(jì)算分子式共價(jià)鍵的鍵級(jí)[7]（見圖9）

HOCN有兩種路易斯結(jié)構(gòu)式，由于2式較1式穩(wěn)定。因此，氫氧之間的鍵級(jí)是1，碳氧之間的鍵級(jí)小于1.5，碳氮之間的鍵級(jí)大于2.5。

4.4 路易斯結(jié)構(gòu)式判斷分子式共價(jià)鍵的鍵長[7]（見圖10）

每個(gè)C-C鍵長為（2+1）/2=1.5。因此，比乙烷分子中的碳碳單鍵短，比乙烯分子的碳碳雙鍵長，說明苯分子中的碳碳鍵是介于單鍵和雙鍵之間的一種特殊的鍵。

5 路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫[8]

從路易斯結(jié)構(gòu)式中就可以判斷分子的穩(wěn)定性及其其它的一些非常重要的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)，要很好的掌握這些性質(zhì)，就必須學(xué)會(huì)路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫。路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫總結(jié)起來共有四步，分別為：算，排，寫，查。

第一步：算出分子結(jié)構(gòu)中的成鍵數(shù)和孤電子對(duì)數(shù)。

成鍵數(shù)=（達(dá)到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)時(shí)各原子最外層電子數(shù)之和-各原子價(jià)電子數(shù)之和）/2

孤對(duì)電子數(shù)=（各原子價(jià)電子數(shù)之和-成鍵電子總數(shù)）/2

例如：HNO3 成鍵數(shù)=[（2+8+8×3）-（1+5+6×3）]/2=5

孤對(duì)電子數(shù)=[（1+5+6×3）-5×2]/2=7

第二步：按照排列規(guī)則排出正確的的原子次序。

H原子一般情況下排在原子的末端。由于電負(fù)性較小的原子的價(jià)電子受原子核的束縛力較小，容易與其它原子共享自己的電子。因此應(yīng)將電負(fù)性小的原子放在分子的中心位置，電負(fù)性大的則居于其周圍。例如HNO3的原子排列：

第三步：寫出路易斯結(jié)構(gòu)式。

用短線連接相鄰的原子，短線總數(shù)要與成鍵數(shù)相符。孤電子對(duì)要用一對(duì)小黑點(diǎn)表示，每個(gè)原子都要達(dá)到稀有氣體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。例如HNO3可能的路易斯結(jié)構(gòu)式見圖11所示。

第四步：檢查寫出的路易斯結(jié)構(gòu)式。

某物質(zhì)可能的路易斯結(jié)構(gòu)式有多種，則以形式電荷為依據(jù)判斷它們是否穩(wěn)定。若形式電荷越靠近零則該結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。若相鄰兩原子的形式電荷是同號(hào)，這種結(jié)構(gòu)就不穩(wěn)定。若正負(fù)電荷分別在電負(fù)性較大和較小的原子上的這種結(jié)構(gòu)也不太穩(wěn)定。（見圖12）

對(duì)于HNO3的路易斯結(jié)構(gòu)式，（1）和（2）較穩(wěn)定，（3）不穩(wěn)定，不予考慮。

6 結(jié)語

本文從有效教學(xué)的角度出發(fā)，闡述路易斯結(jié)構(gòu)式對(duì)于化學(xué)學(xué)習(xí)的重要性。文中對(duì)路易斯結(jié)構(gòu)式的形成及發(fā)展過程的介紹，目的在于對(duì)這一歷史有更清楚的了解，同時(shí)，能夠加深對(duì)路易斯結(jié)構(gòu)式的理解。當(dāng)用路易斯結(jié)構(gòu)式來解釋一些常見的問題時(shí)，可以使問題簡單化，對(duì)知識(shí)的接受也將更容易些。最后介紹路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫步驟，從關(guān)注電子數(shù)到原子的排列順序再到完整的路易斯結(jié)構(gòu)式的書寫，是整個(gè)書寫過程中最為重要的環(huán)節(jié)，當(dāng)完整的將路易斯結(jié)構(gòu)式呈現(xiàn)出來時(shí)，再通過穩(wěn)定性對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，得出最終的結(jié)果。希望在化學(xué)學(xué)習(xí)中把路易斯結(jié)構(gòu)式作為一種解決問題的工具幫助學(xué)生分析問題和解決問題，進(jìn)而進(jìn)行有效學(xué)習(xí)和有意義學(xué)習(xí)。

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